На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до допустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то выпрямленное напряжение может быть представлено в виде следующего ряда Фурье
, где Um - максимальное значение выпрямленного напряжения; m - число фаз выпрямления; f - частота входного напряжения. Выражение перед квадратными скобками характеризует постоянную составляющую выпрямленного напряжения. Члены вида 2/(m2–1), 2/[(2m)2–1] представляют собой амплитуды гармоник, отнесенные к одному вольту выпрямленного напряжения. Выражения m·f, 2m·f,... определяют частоты этих гармоник. С увеличением номера гармоники амплитуды напряжения гармоник уменьшаются.
На характер и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения существенное влияние оказывают не только схема выпрямления и наличие индуктивностей, приводящих к явлению перекрытия фаз, но и ряд других причин. Так, вследствие неравномерной нагрузки фаз трехфазной сети, асимметрии в схеме выпрямителя или наличия в схемах выпрямителей дросселей насыщения, обладающих значительной нелинейностью, могут появиться гармоники с частотами, не характерными для принятой схемы выпрямления.
Амплитуда пульсации напряжения на выходе схемы выпрямления в большинстве случаев превышает допустимое значение. Для снижения амплитуды пульсации применяют сглаживающие фильтры.
Схемы и конструкция фильтров могут быть самыми разнообразными. Простейшие фильтры (рисунок 4.1, а и б) обычно состоят из одного элемента (индуктивности или емкости). Одно- и многозвенные фильтры (рисунок 4.1, в, г и д) состоят из различных комбинаций L, Си R. В резонансных фильтрах (рисунок 4.1, е и ж) имеются резонансные контуры, настроенные на одну из гармоник (обычно первую) выпрямленного напряжения. Электронные фильтры (рисунок 4.1, з), в которых в качестве управляемого сопротивления, подавляющего переменную составляющую, используются схемы с транзисторами. В фильтрах с аккумуляторной батареей (рисунок 4.1, и) аккумуляторная батарея, кроме основного своего назначения – резервирования питания, выполняет вторую задачу - обеспечивает уменьшение пульсации. Для питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на железнодорожном транспорте наиболее широкое распространение получили схемы фильтров (см. рисунок 4.1, а, г, д и и).
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент фильтрации, который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает амплитуду напряжения соответствующей гармоники kn = Un.вх/Un.вых,где Un вх и Un вых - амплитудные значения напряжения n-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.
